细胞氧化应激的危害及抗氧化应激的研究进展

崔素萍，陈丹，2，穆秋霞，3，李琳，王坤，郑喜群

（1.黑龙江八一农垦大学食品学院，大庆 163319；2.粮食副产物加工与利用教育部工程研究中心；3.国家杂粮工程技术研究中心）

氧化应激是指机体在受到有害刺激时，体内自由基增加或抗氧化能力减弱，导致氧化-抗氧化系统失衡[1]，从而积累过多的活性氧（ROS），损伤核酸、蛋白质和脂质等生物大分子，导致动脉粥样硬化、肝病、糖尿病、炎症、癌症等疾病和衰老的发生[2]。正常生理条件下，机体通过酶类〔超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）等〕和非酶类（微量元素、维生素E、类胡萝卜素等）两种抗氧化防御系统来维持机体氧化-抗氧化动态平衡[3]。抗氧化系统通过清除ROS、螯合金属离子、猝灭单线态氧以及降低氧浓度等方式来减缓或抑制细胞氧化[4]。为了系统的了解氧化应激的危害及抗氧化系统的作用机制，将从细胞氧化应激、氧化应激与线粒体损伤及抗氧化防御系统三方面展开论述，为抗氧化功能性食品的研究与开发提供理论基础，对保持机体健康和预防疾病有重要意义。

1 引起氧化应激的内外因素

1.1 内因

人体一般会产生微量的ROS，其主要来源是机体氧化代谢产生的性质活泼的含氧化合物，如羟自由基（-OH）、过氧化氢（H2O2）以及超氧阴离子（·O2-），除此之外，其来源还包括氧化不饱和脂肪酸等大分子物质降解时产生的副产物，但当体内ROS积累过量或抗氧化能力降低时，会导致机体的氧化-抗氧化系统失衡，从而引起氧化应激[5-7]。

1.2 外因

化学类应激源和物理类应激源是引起氧化应激的外界因素，其中化学类应激源是主要的外界因素，不仅有外源性氧化剂（如H2O2）和内源性氧化剂（如神经毒素1-甲基-4-苯基吡离子），还包括对机体有毒性作用的药物（如阿霉素）[8]。在构建氧化应激模型中，H2O2是最常见的化学类应激源，不仅价廉且稳定性高，还具有较强的氧化应激效果[9]，它作为一种重要的ROS，易穿透细胞膜，可产生氧化性最强的羟自由基，引起细胞的氧化损伤甚至死亡[8]。物理类应激源主要通过紫外照射、辐照和缺氧/复氧操作，对机体造成氧化损伤[10]。

2 氧化应激与线粒体损伤

线粒体可以将营养物质（如糖类、脂质及蛋白质）通过氧化磷酸化作用转化成三磷酸腺苷（ATP），为生物体活动提供能量，同时，线粒体也是产生ROS的主要场所，在调节细胞凋亡过程中起着关键作用，是细胞乃至生命体进行各项生命活动的核心[11]。

体内过量的ROS 会导致线粒体功能受损，造成细胞、组织、器官和系统的功能障碍，进而引起癌症、动脉粥样硬化、阿尔兹海默症等多种疾病的发生[12]。ROS 主要从以下5 个途径使线粒体受损。

2.1 活性氧致使线粒体基因突变

线粒体是含有DNA 的细胞器，在一定条件下，ROS 会攻击线粒体DNA，不仅会造成DNA 碱基脱落以及DNA 碱基序列的改变、破坏和断裂，而且还有可能导致DNA 脱氧核糖分解[13]，DNA 的损伤最终会导致DNA 突变，引起线粒体功能障碍，从而诱发疾病[14]。

2.2 活性氧损伤线粒体呼吸链

呼吸链位于线粒体内膜上，是线粒体重要组成成分[12]，由5 个呼吸链酶构成，即NADH-泛醌还原酶（复合体Ⅰ）、琥珀酸-泛醌还原酶（复合体Ⅱ）、泛醌-细胞色素C 还原酶（复合体Ⅲ）、细胞色素C 氧化酶（复合体Ⅳ）和ATP 合成酶（复合体Ⅴ）[15]，其中复合体Ⅴ主要负责ATP 的合成[16]，如图1 所示。参与氧化磷酸化反应的呼吸链蛋白有80 多种，其中13 种被线粒体DNA 所编译[17-18]。

图1 呼吸链简图Fig.1 Respiratory chain diagram

在正常生理条件下，细胞内少量O2转化为ROS[19]，ROS 可以直接损害线粒体呼吸链以及线粒体中脂质、蛋白质和DNA 的结构[20]，而DNA 的损伤又会引起复合体Ⅰ或Ⅲ功能缺失，从而导致O2接受单电子生成ROS[21-22]，过量的ROS 会引起氧化应激，损伤DNA[23]，DNA 的氧化损伤会抑制呼吸链中关键蛋白的表达，进而增加ROS 的含量，损害线粒体的调节功能，最终导致细胞凋亡和坏死[20]。

2.3 活性氧改变线粒体膜的通透性

线粒体是由两层膜构成的细胞器，外膜具有孔蛋白构成的亲水通道，其通透性强于内膜，内膜上存在呼吸链，是ATP 产生的主要场所[24]。生物膜磷脂双分子层的主要成分是多不饱和脂肪酸，ROS 能使其被氧化，从而增大膜的通透性[13]。线粒体膜的通透性改变，导致线粒体许多功能发生致命性变化从而引发细胞凋亡[25-26]。

2.4 活性氧破坏钙稳态

Ca2+作为细胞内信号传导的主要参与者[27]，对于线粒体中多种酶（如代谢酶、线粒体呼吸酶以及ATP合成酶）的活性调节具有非常重要的作用[28]，正常情况下，机体通过线粒体内膜的主动运输来调节胞内低钙、胞外高钙的钙稳态[29-30]。然而，当体内ROS 过量时会使钙稳态失衡，钙稳态失衡导致线粒体膜电位发生改变，影响线粒体呼吸链酶的活性以及膜的通透性，造成Ca2+内流，进而影响跨膜运输功能，致使许多大分子物质如蛋白质、核酸等向线粒体内扩散，从而导致线粒体内容物超载，引起线粒体功能紊乱，最终造成细胞死亡[30-32]。

2.5 活性氧损害线粒体防御系统

正常情况下，机体内存在多重抗氧化防御系统负责保护线粒体免受氧化损伤[33]，该防御系统主要由SOD﹑CAT﹑GSH-Px 以及许多小分子抗氧化剂如VE﹑辅酶Q 构成，这些抗氧化剂能有效清除脂质过氧化物[34]，保持氧化-抗氧化平衡。但是，没有任何一个防御系统对于清除ROS 是完全有效的，随着ROS 的不断积累，机体内的平衡被打破，导致线粒体部分功能受损甚至缺失[35]，又会产生大量的ROS，最终导致整个线粒体防御系统遭到破坏。

综上所述，线粒体是产能代谢的主要场所，易受ROS 攻击，致使氧化-抗氧化系统失衡，产生大量ROS，形成氧化应激的恶性循环，所以线粒体损伤与氧化应激之间存在着密切联系。

3 抗氧化防御系统

人体的抗氧化防御系统主要是由多种抗氧化剂构成，可分为内源性（酶或非酶）和外源性两类。内源性抗氧化剂，如CAT、SOD 以及GSH-Px，·O2－在SOD的催化作用下被转变为H2O2，H2O2通过CAT、GSHPx 和芬顿（Fenton）反应被清除[36]，如图2 所示。

图2 SOD 将·O2－转化为H2O2 的已知途径Fig.2 Clear pathways after·O2－ transformed into H2O2 by SOD

外源性抗氧化剂包括VC、茶多酚、谷胱甘肽（GSH）等亲水性抗氧化剂和VE、类黄酮、类胡萝卜素等亲脂性抗氧化剂[37]。机体可通过内源性和外源性抗氧化剂的共同作用，以维持或重建抗氧化防御系统的平衡，如茶多酚可以直接清除ROS 并减少ROS 的生成，还可提高体内SOD 和GPX 的活性[38]，VC 可使GSH-Px 和VE 的基团恢复活性，重获抗氧化作用[39]。

3.1 抗氧化剂

抗氧化剂是指能延迟、减缓或防止因氧化而引起的酸败、变色、变味或变质的物质[40]。随着人们对生活品质的追求，添加抗氧化剂已成为在药品、食品及化妆品中的有效手段，它能够延长物品的货架期，保护易氧化物质[41]。其抗氧化的原理是通过清除自由基来减缓或抑制细胞氧化损伤[12]，其来源分为两大类：合成抗氧化剂和天然抗氧化剂。

3.1.1 合成抗氧化剂

合成抗氧化剂种类较多，目前没食子酸丙酯（PG）、叔丁基对苯二酚（TBHQ）、二丁基羟基甲苯（BHT）、丁基羟基茴香醚（BHA）等应用较广，其虽然具有较强的抗氧化能力，但是在生理PH 值和温度下，能够产生过氧化氢。而过氧化氢本身具有很强的氧化性，对细胞具有相当的毒性[42]。然而天然抗氧化剂对细胞无危害。因此，天然抗氧化剂越来越受到人们的青睐。

3.1.2 天然抗氧化剂

天然抗氧化剂具有抗氧化能力强、安全指数高且无毒副作用等特点。可分为：（1）金属元素，如铜、铁、锌和锰[43]，它们主要是一系列重要的抗氧化酶的辅因子，与酶结合使酶具有较强的催化活力，例如Mn-SOD 是线粒体内重要的抗氧化酶之一，通过催化超氧自由基，从而消除ROS 并阻止其对蛋白质、DNA及脂质的破坏[44]。（2）维生素类，主要包含维生素A、B、C、E 和K，不但具有较强的抗氧化能力[45]，而且还对生物膜结构有较好的保护作用。（3）植物抗氧化化合物，主要有多糖类[46]、生物碱类[47]、多酚类[48]、黄酮类[49]及皂苷类[50]五种化合物，它们是能够在浓度极低的条件下起到抑制或延迟食品氧化作用的天然抗氧化剂。（4）其他新型天然抗氧化剂，目前应用较广的是虾青素和抗氧化多肽[51]，能够穿透血脑屏障的抗氧化物质，在体内能够杀死自由基，使机体恢复活力。

3.2 抗氧化剂在氧化应激疾病中的应用

若ROS 引起的氧化应激破坏了机体抗氧化防御系统，导致氧化-抗氧化系统失衡，将会对机体造成各种损伤，过多积累的ROS 会作用于生物大分子，破坏细胞结构，从而引起多种疾病的发生，但一定剂量的外源性抗氧化剂可维持或重建氧化还原平衡，因此，将从以下几个方面论述抗氧化剂在多种疾病中的应用。

3.2.1 在心血管疾病中的应用

动脉粥样硬化（AS）是动脉壁炎性病变，是导致缺血性心脑血管疾病的主要原因，严重损害人类健康，而氧化应激在内皮细胞损伤和AS 的发生与发展中起关键作用[52]。Jin 等[53]从中药穿山龙中提取穿山龙多糖（RDNP），通过H2O2诱导人脐静脉内皮细胞HUVECs 氧化应激损伤，采用LDH、MDA、SOD、总抗氧化能力（T-AOC）和GSH-Px 等指标对抗氧化活性进行评价，证实RDNP 可以降低H2O2处理的HUVECs 细胞的LDH 和MDA 水平，增强细胞内SOD、T-AOC 以及GSH-px 活性。Jing 等[54]发现硝基氧化合物（Tempol）能保护H9c2 细胞免受缺氧诱导的损伤，具有增加细胞活力并减少LDH 和肌酐激酶（CK）释放的特征，Tempol 还通过抑制ROS 的产生和脂质过氧化作用以及增强抗氧化酶的活性来降低氧化应激。

3.2.2 在神经疾病中的应用

阿尔兹海默症（AD）是一种典型的神经退行性疾病，主要临床表现为认知功能出现障碍以及进行性记忆力丧失等[55]，氧化应激损伤广泛参与了其致病过程[56]。唐伟敏等[57]采用体外化学法测定玛咖皂苷的分级组分的抗氧化活性以及甲氮甲唑蓝（MTT）法评价玛咖皂苷的分级组分对H2O2诱导的PC12 神经细胞氧化损伤的修复作用，初步验证玛咖皂苷通过协同多酚类及黄酮类化合物清除ROS，从而对细胞起到保护作用。Zhao 等[58]发现用姜黄素作用H2O2诱导小鼠神经母细胞瘤Neuro-2A 细胞，结果显示姜黄素可以显著保护Neuro-2A 细胞免受H2O2诱导细胞凋亡的影响，抑制细胞内ROS 积累，并稳定钙稳态及线粒体膜电位，这些结果表明，姜黄素对H2O2诱导的Neuro-2A 细胞氧化应激具有的保护作用。

3.2.3 在泌尿疾病中的应用

糖尿病肾病（DN）是指糖尿病微血管病变导致的疾病，氧化应激在糖尿病肾病的病理进程中具有关键作用[59]。刘迪等[60]建立H2O2诱导的人胚肾细胞HEK-293 细胞氧化损伤模型，通过检测人参皂苷对氧化损伤细胞ROS 含量，细胞MDA 水平和抗氧化酶系活性，结果表明人参皂苷能抑制ROS 的产生与积累、降低细胞MDA 水平以及提高抗氧化酶系活性的活性。Liu 等[61]研究蛋清蛋白肽（Trp-Asn-Trp-Ala-Asp）WNWAD 对H2O2诱导HEK-293 细胞的氧化应激的影响，发现WNWAD 通过抑制细胞内ROS 积累并阻断ROS 激活的线粒体介导的细胞凋亡途径，保护细胞免受H2O2诱导的氧化应激的影响。

3.2.4 在骨骼疾病中的应用

骨质疏松症（OP）是一种骨微观结构损坏以及骨量低下，导致骨脆性增加，从而易发生骨折等的骨骼性疾病[62]，研究发现氧化应激容易引发骨质疏松症[63]。Kang 等[64]通过建立H2O2诱导的C2C12小鼠骨骼肌细胞模型，发现五味子精油（SSeo）减弱了H2O2诱导细胞的生长抑制，并清除了细胞内ROS。Young 等[65]发现洋红霉素对H2O2诱导的骨关节炎软骨细胞模型的保护作用，洋红霉素可以清除ROS，降低H2O2诱导的caspase-3 活性，减少细胞凋亡。

3.3 抗氧化剂在食品中的应用

近年来，随着人们对健康生活的重视，抗氧化剂常常作为保健食品被广泛用于食品中。由于天然抗氧化剂具有提高体内抗氧化酶的活力以及较强的自由基清除能力，将其应用于保健食品中可发挥巨大的功效，有益于身体健康，减少及预防疾病的发生，其中包括预防癌症、高血压、动脉粥样硬化、阿尔兹海默症、糖尿病肾病以及骨质疏松症等多种疾病的发生。目前市面上存在大量抗氧化类的保健食品：葡萄籽软胶囊、维生素E 咀嚼片、叶黄素软胶囊以及多肽饮料等。研究表明，葡萄籽拥有较高的营养价值，其中含有的原花青素是其重要成分之一，葡萄籽原花青素具有较强的抗氧化能力[66]，能预防癌症、动脉粥样硬化等多种疾病。除此之外，抗氧化剂还有抑制果蔬的褐变、防止肉制品及水产品褪色并保持其风味，防止糖果制品变质等作用。

4 展望

综上所述，若ROS 引起的氧化应激破坏了机体抗氧化防御系统，将会对机体造成各种损伤，过多积累的ROS 会作用于生物大分子，破坏细胞结构，引起心血管疾病、神经退行性疾病、泌尿疾病以及骨骼疾病等多种疾病和衰老的发生。并且氧化应激与线粒体损伤存在必然联系。保持氧化和抗氧化平衡才是维持机体正常运作的关键所在。由于天然抗氧化剂毒性小[67]及合成抗氧化剂的便利性，通过内源性抗氧化剂（CAT、SOD 以及GSH-Px）和外源性抗氧化剂（合成抗氧化剂和天然抗氧化剂）的共同或者协同作用来保持或重新建立氧化还原平衡将成为未来研究的重要趋势。